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Hypercapnia decreases Na,K-ATPase plasma membrane abundance by impairing endoplasmic reticulum maturation of its beta-subunit in alveolar epithelial cells

Kryvenko, Vitalii


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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:hebis:26-opus-160106
URL: http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2021/16010/


Universität Justus-Liebig-Universit√§t Gie√üen
Institut: Department of Internal Medicine II
Fachgebiet: Medizin
DDC-Sachgruppe: Medizin
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Englisch
Tag der m√ľndlichen Pr√ľfung: 18.03.2021
Erstellungsjahr: 2020
Publikationsdatum: 01.04.2021
Kurzfassung auf Englisch: The main hallmarks of acute respiratory distress syndrome (ARDS) are impaired gas exchange and alveolar edema, which are often associated with elevated levels of CO2 (hypercapnia) due to the disruption of the alveolar-capillary barrier and in part as a consequence of lung-protective mechanical ventilation by using low tidal volumes. Both decreased alveolar fluid clearance (AFC) and hypercapnia have been shown to be associated with worse outcomes in patients with ARDS. The resolution of alveolar edema directly correlates with AFC, which is driven by a vectorial Na+ transport, mediated by the coordinated action of the apically-localized epithelial Na+ channel (ENaC) on the apical and the Na,K-ATPase (NKA) on the basolateral side. The endoplasmic reticulum (ER) is the main organelle that is involved in the proper maturation of glycoproteins. NKA is a heterodimeric glycoprotein that in order to be delivered to the plasma membrane must be assembled in the ER. A disturbance in the ER maturation may result in a decreased plasma membrane abundance of the transporter and an impaired alveolar fluid clearance.
Here, we provide evidence that hypercapnia (pCO2=120 mmHg; pHe=7.4) decreases the NKA plasma membrane abundance by affecting the ER folding of the beta-subunit of the enzyme in alveolar epithelial cells. We found that the short-term exposure of cells to elevated CO2 levels (up to 1 hour) results in depletion of the ER Ca2+ stores by a leakage through 1,4,5-triphosphate receptors (IP3R). The rapid activation of serine/threonine-protein kinase/endoribonuclease inositol-requiring enzyme 1alpha (IRE1alpha) triggers ER-associated degradation (ERAD) of the NKA beta-subunit, which subsequently decreases the cell surface expression of the transporter. The inhibition of Ca2+ release through IP3R receptors stabilizes the levels of the ER-resident NKA-beta and increases the plasma membrane abundance of the enzyme. In contrast, long-term hypercapnia (up to 72 hours) promotes significant retention of the NKA beta-subunit in the ER. This is followed by increased protein oxidation in the ER and the disruption of the Na,K-ATPase alpha/beta-complex formation. Furthermore, disturbances in ER homeostasis activate the adaptive unfolded protein response (UPR) by increasing the phosphorylation of eukaryotic initiation factor 2alpha (eIF2alpha) by protein kinase R-like endoplasmic reticulum kinase (PERK). Moreover, we demonstrate that administration of alpha-ketoglutaric acid to hypercapnia-exposed cells prevents ER protein oxidation and restores plasma membrane abundance of the Na,K-ATPase.
Taken together, short- and long-term exposure to elevated CO2 levels result in misfolding of the Na,K-ATPase beta-subunit in the ER and decrease the plasma membrane expression of the Na,K-ATPase alpha/beta-complex, which impairs alveolar fluid clearance. Understanding the mechanisms of hypercapnic respiratory failure may provide new approaches in the treatment of patients with ARDS.
Kurzfassung auf Englisch: Die Hauptmerkmale des akuten Atemnotsyndroms (ARDS) umfassen ein Lungen√∂dem und einen gest√∂rten Gasaustausch, die h√§ufig mit einem erh√∂hten CO2-Gehalt (Hyperkapnie), aufgrund einer St√∂rung der alveolo-kapill√§ren Barriere, und einer lungensch√ľtzenden mechanischen Beatmung, mithilfe eines niedrigen Tidalvolumen, verbunden sind. Es zeigte sich, dass das Zusammenspiel von Hyperkapnie und einer verminderten Clearance der Alveolarfl√ľssigkeit (AFC) zu einem schlechteren Krankheitsverlauf bei ARDS-Patienten f√ľhrt. Das Ausschw√§mmen des Lungen√∂dems korreliert direkt mit der AFC, welche durch einen zielgerichteten vektoriellen Na+-Transport, einerseits durch den apikal lokalisierten epithelialen Na+-Kanals (ENaC) und anderseits durch die basolateral lokalisierten Na,K-ATPase (NKA) bestimmt wird. Das endoplasmatische Retikulum (ER) ist die Hauptorganelle, die an der ordnungsgem√§√üen Reifung von Glykoproteinen beteiligt ist. NKA ist ein heterodimeres Glykoprotein, dessen Untereinheiten im ER aufgebaut und danach von der Plasmamembran freigegeben wird. Eine St√∂rung im Reifungsprozess des ER kann zu einer verringerten Transporterfreisetzung f√ľhren, was eine beeintr√§chtigte Alveolarfl√ľssigkeitsclearance nach sich ziehen k√∂nnte.
Unsere vorliegenden Daten belegen, dass die Hyperkapnie (pCO2=120 mmHg; pHe=7.4) den Zusammenbau einer Enzym-beta-Untereinheit im ER von Alveolarepithelzellen beeinflusst, was die NKA-Freisetzung an den Plasmamembranen verringert. Es zeigte sich, dass die kurzfristige Erh√∂hung des CO2-Spiegels (bis zu 1 Stunde) zu einer Ersch√∂pfung des Ca2+-Speichers f√ľhrte, was wiederum in einem Verlust der IP3R-Rezeptoren und der raschen Aktivierung von IRE1alpha im ER resultierte. Anschlie√üend l√∂ste dies den ER-assoziierten Abbau (ERAD) der NKA-beta-Untereinheit aus und verringerte die Transporterexpression an der Zell√∂berflache. Eine Hemmung der Ca2+-Freisetzung durch die IP3R-Rezeptoren stabilisierte die Anzahl von ER-residenten NKA-beta und erh√∂hte die Emission des Enzyms an der Plasmamembran. Dagegen f√ľhrte eine langfristige Hyperkapnie (bis zu 72 Stunden) signifikant zu einer verminderten Freisetzung der NKA-beta-Untereinheit im ER, gefolgt von einer erh√∂hten Oxidation des ER-Proteins und einer Bildungsst√∂rung des Transporter-alpha:beta-Komplexes. Dar√ľber hinaus kam es zu einer adaptiv entwickelten Proteinreaktion durch eine aktivierte St√∂rung der ER-Hom√∂ostase, indem die Phosphorylierung durch PERK von eIF2alpha erh√∂ht wurde. Zus√§tzlich konnten wir zeigen, dass durch die Zugabe von alpha-Ketoglutars√§ure zu den Hyperkanie-exponierten Zellen die Proteinoxidation im ER und die Freisetzung der Na, K-ATPase wiederhergestellt werden konnte.
Zusammenfassend f√ľhrt eine kurz- und langfristige Exposition mit erh√∂hten CO2-Spiegeln zu einer Fehlbildung der beta-Untereinheit im ER und einer verminderten Expression der Na, K-ATPase an der Plasmamembran, was zu einer verschlechterten Clearance der Alveolarfl√ľssigkeit f√ľhren kann. Diese neu erworbenen Kenntnisse √ľber die Mechanismen der durch Hyperkapnie induzierten respiratorischen Insuffizienz, k√∂nnten neue Ans√§tze in der Pathophysiologie und in der Behandlung von Patienten mit ARDS liefern.
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